急倾斜特厚煤层开采深度持续增大, 其冲击地压灾害日益严峻, 诱冲因素呈现出多样性和演变特征, 为冲击地压精准防治带来困难。针对以上问题, 综合采用案例分析、现场监测和理论分析等方法, 以新疆某典型急倾斜特厚煤层矿井为工程背景开展诱冲因素演变规律研究。通过分析矿井5次典型冲击地压显现事件, 发现急倾斜顶板、中间岩柱、遗留煤柱、开采深度、开采强度和水平构造应力是主要诱冲因素。基于三角模糊数改进了层次分析方法, 建立了诱冲因素权重量化计算方法并得到了诱冲因素演变规律。研究发现, 急倾斜顶板和中间岩柱的诱冲权重最大, 是最为主要的诱冲因素, 且随煤层开采持续增大; 开采深度和水平构造应力诱冲权重随着急倾斜特厚煤层持续开采整体增大, 诱冲作用逐渐增强; 遗留煤柱诱冲权重整体呈降低趋势, 表明采空区内遗留煤柱对冲击地压的影响逐渐减小; 开采强度的诱冲权重整体降低。通过开采数据分析、微震监测、地应力测试、数值模拟和理论研究等手段较好地验证了急倾斜特厚煤层诱冲因素演变规律。研究成果可为急倾斜特厚煤层冲击地压精准治理提供参考。

地表裂缝大规模发育加速生态系统退化、破坏工程基础设施, 制约区域生态安全与社会发展, 为表征高强度开采裂缝尺度特征并构建有效防控体系, 以官板乌素煤矿615工作面为研究背景, 基于组合岩层理论对其上覆岩层结构进行划分, 以此提出了基于裂隙率的覆岩裂缝发育过程定量表征方法; 揭示了深厚比与地表裂缝尺度特征参数(最大宽度、平均贯通度和平均超前距离)的定量关系, 并提出了相应的协同控制技术。结果表明: 上覆岩层破坏程度沿竖向以厚硬岩层与垮落岩块排列程度为界分为4个区域, 横向以影响程度为界分为5个区域; 确定上覆岩层共4个组合岩层结构, 其阶跃式破断导致覆岩裂缝最终贯通至地表, 近采空区岩块碎胀性增大导致下沉曲线偏态性与不规则性更为显著; 深厚比与地表裂缝最大宽度呈线性负相关, 与平均贯通度和平均超前距离呈指数负相关, 且深厚比减小导致裂缝类型由拉张型和台阶型为主转变为塌陷型和台阶型为主; 提出了地表裂缝协同控制技术, 通过优化开采工艺减缓地表沉陷程度, 采用物探定位–靶向修复强化覆岩结构拱稳定性, 并依据裂缝分类分区特征实施差异化治理, 恢复了区域生态环境。研究成果对保障区域生态安全与人居环境具有重要意义。

针对滨湖煤矿薄煤层坚硬顶板条件下迎采对掘沿空巷道围岩变形剧烈、维护困难的问题, 综合运用理论分析、数值模拟与现场试验方法, 深入探究了邻空侧覆岩运动特征、垮落结构形态及其诱发的巷道失稳机理, 优化了切顶卸压护巷的关键技术参数并进行工程应用。研究结果表明: 16煤上覆岩层存在两层主导性的关键层, 其结构特征与力学行为控制着邻空侧岩层的运动规律与垮落结构形态, 该区域侧向悬顶在其动态演化(形成、运动及垮落)过程中, 对巷道围岩施加了显著的多次动载冲击与高静载应力作用, 显著增大了巷道破坏失稳风险。基于最大主应力偏张量评价指标, 优化确定切顶高度为16 m、切顶角度为10°, 并通过现场试验进一步优化了爆破参数, 确定深孔爆破间距为2 m、浅孔爆破间距为1 m。此外, 为提高巷道围岩承载能力, 采用了“锚网索带”主体支护结合“单元支架”临时补强的综合支护体系。矿压观测表明, 巷道围岩变形得到有效控制, 在工作面后方滞后约140 m处即达到自稳状态, 验证了切顶卸压护巷技术在解决薄煤层坚硬顶板沿空巷道维护难题方面的有效性。

煤矿深部开采伴随高地应力与能量积聚, 易诱发冲击地压等动力灾害, 从充填材料增韧角度出发, 揭示煤基充填材料冲击缓释机理, 并构建基于能量耗散理论的增韧定量表征与评价指标体系, 正成为实现减冲调控与材料优化设计的新思路。为揭示煤基充填材料的冲击缓释机理, 以煤基固废为主要原料, 考虑骨料级配、灰泥比、养护龄期及纤维增韧等因素, 系统开展了单轴力学试验、能量演化分析、冲击倾向性判定和扫描电镜(SEM)观测。结果表明: 骨料级配、灰泥比和养护龄期对充填材料力学性能影响显著。充填体抗压强度与养护龄期呈正相关关系; 随Talbot指数(n)及灰泥比的增大, 煤基充填体抗压强度均呈“先升后降”的趋势, 在养护龄期为28 d、n=0.6、灰泥比为2.5∶1的情况下常规充填试样力学性能达到最优; 聚丙烯纤维的掺入可显著提高煤基充填试样抗压强度并改善峰后破坏阶段材料的延展性, 拓展材料耗散能通道, 使材料在峰后破坏阶段可以持续吸收并耗散外部冲击能。基于能量耗散理论提出了涵盖能量耗散比、动态韧性指数、残余承载比、脆性指数和等效隔振系数5个指标的减冲综合评价体系(FIMI-Lite), 实现了充填体冲击缓释性能的量化表征。对比分析表明, 纤维增韧后充填体在各指标上均优于常规组别, 其中n=0.4纤维增韧充填体综合指数最高; 通过SEM图像分析可知, 合理级配可使充填体形成致密骨架结构, 纤维的掺入则构建了“颗粒−胶结物−纤维”三维网络, 两者协同优化孔隙结构并延缓裂纹扩展, 实现能量的逐级吸收与渐进释放, 从微观角度建立了与宏观减冲性能的关联, 揭示了充填材料减冲性能机制。研究成果为煤基充填材料的设计优化和冲击地压灾害防治提供了依据。

矿井采掘工作面粉尘、高湿度和烟雾等复杂环境会导致监控图像特征退化, 且不同雾气浓度产生的退化也会有差异。同时, 由于当前图像去雾模型的训练主要基于合成雾数据, 其获得的先验知识与矿井真实雾气之间存在固有的域间差异。这些问题严重制约了矿井智能监控的效果, 对安全生产构成隐患。基于此, 提出一种基于雾气分级与域间差异的采掘工作面图像去雾方法。①基于不同浓度尘雾图像在解空间上的差异, 构建雾气评价指标以指导尘雾图像分级, 并自动匹配不同规模的网络结构, 实现采掘工作面轻雾场景的快速去雾和浓雾场景的深度细节恢复。②改进对比学习策略, 利用雾气评价指标对轻雾与浓雾图像进行负样本分级, 细化不同浓度雾气特征的对比学习, 从而强化模型对不同雾气特征的判别能力和跨域泛化表现。③针对合成雾与尘雾图像之间的数据域差异, 提出无需真实数据标注的无监督微调策略, 通过循环一致性约束校正去雾映射函数, 有效缓解模型在采掘工作面场景中的性能衰减。试验结果表明, 此方法在合成数据集和采掘工作面尘雾图像的去雾效果均优于现有主流方法, 可为煤矿井下智能监控和安全生产提供参考。

以青藏高原季节性青砂岩为主要研究对象, 通过室内试验探究冻融循环(F-T)对青砂岩动态断裂特征的影响。采用20 ℃~−20 ℃的冻融区间对岩样进行预处理, 结合SHPB试验装置开展冲击三点弯曲试验, 并利用高速摄像机和Ncorr软件分析断裂过程区(FPZ)的演化规律。研究结果表明: 青砂岩力学性能在经历冻融循环之后显著劣化, 并影响其动态断裂行为。随着F-T次数增加, 预制裂缝贯通时间延长, 相同时间内的裂纹张开宽度增加, 且达到相同宽度所需时间减少。在111 ms前, 裂纹张开速度受冻融循环次数的抑制, 之后影响减弱。由此可见, 冻融作用主要影响裂缝尖端初始扩展阶段。FPZ的发育规律可分为“扩展—收缩”两阶段, 初始阶段微裂纹在裂缝前端聚集, 随荷载增大FPZ范围扩展; 主裂纹贯通后, 因能量释放而收缩消失。岩石内部在冻融作用下形成了大量孔隙结构, 增强了能量吸收能力, 导致FPZ极值减小且峰值提前, 破坏模式由脆性向延性转变, 表现为裂缝贯通时间延长和初始张开速度降低。研究成果可为寒区工程岩体的动力灾害解危提供可参考的基础试验数据。

为研究深部矿井厚硬直覆型顶板沿空巷道变形失稳问题, 以兖州矿区东滩煤矿六采区为工程背景, 基于弹性地基Timoshenko梁理论, 建立了考虑顶板赋存特性的厚硬直覆型顶板挠曲变形力学模型, 计算得到厚硬顶板各区域弯矩、剪力及挠度解析解, 揭示了厚硬顶板赋存特性(顶板层位、厚度及强度)对沿空巷道变形破坏的差异化影响规律, 并通过数值模拟进行了验证, 阐明了厚硬直覆顶板型沿空巷道冲击失稳力学机理, 提出了针对厚硬直覆型顶板“定向切顶卸压–多级协同支护–推进速度调控”综合防控技术方案。主要结论为: ①巷道顶板挠曲破断特征受厚硬顶板赋存特性影响显著, 其最大下沉量及破断尺寸与厚硬顶板赋存层位成负相关, 层位每提高5 m, 最大下沉量非线性递减16%~37%, 且层位越低, 破断位置越深入煤壁, 破断形成块体结构尺寸越大。厚硬顶板赋存厚度与岩性强度对巷道顶板下沉量的影响可分为2个阶段, 在掘巷及巷道形成初期, 厚硬顶板易形成高承载性的稳定悬顶结构, 巷道顶板下沉量与厚硬顶板赋存厚度和岩性强度一定程度上成负相关, 后受剧烈采动影响, 悬顶结构发生破断运动, 释放的剧烈动载主导巷道变形, 此时岩层厚度与强度对其破断尺寸和能量释放产生正反馈效应, 此阶段厚硬岩层厚度越大、岩性强度越高, 对巷道围岩失稳变形影响越剧烈; ②厚硬直覆型顶板沿空巷道变形失稳过程可分为静载主导期和动载扩展期2个阶段, 在静载主导期, 厚硬顶板大跨度悬臂梁结构形成的超高静载向实体煤帮深处转移, 围岩塑性区由浅向深持续扩展, 伴随厚硬顶板破断运动, 巷道进入动载扩展期, 由于缺乏直接顶垫层缓冲作用, 厚硬基本顶传递载荷及破断产生的大能量冲击波难以耗散, 释放的剧烈动载扰动直接作用于巷道围岩, 进一步加剧变形破坏; ③现场工程试验结果表明, 水力压裂与深孔爆破协同弱化厚硬顶板, 可使动载冲击能量降低60%; 结合高预紧力锚索与注浆加固, 顶板下沉量降至300 mm; 优化推进速度至3 m/d后, 大能量矿震事件频次减少65%, 巷道稳定性控制效果显著。研究成果可为深部矿井厚硬直覆型顶板沿空巷道稳定性控制提供参考。

门克庆煤矿3-1煤层具有强冲击倾向性, 煤层埋深大, 工作面开采强度高, 煤层上覆存在厚度较大的复合砂岩顶板, 工作面开采期间易诱发冲击地压。针对中高位厚硬顶板常规卸压措施处理高度和范围有限, 难以达到理想卸压效果, 本文在分析冲击主控致灾因素基础上, 采用顶板岩性分析、关键层理论计算、微震监测及岩层破断能量传递计算, 综合确定了冲击致灾关键岩层, 揭示了井下长孔区域压裂卸压防冲机理, 开展了井下长孔区域压裂卸压防冲工程实践, 并进行了卸压防冲效果分析。结果表明: 工作面大埋深提供了充足的基础静载荷, 3-1煤层及顶底板具有发生冲击地压的能力, 完整性强、连续性好的复合砂岩顶板破断动载是诱发冲击地压的主要力源。井下长孔区域压裂对厚硬复合砂岩顶板进行超前预裂, 压裂后岩层裂隙扩展明显, 顶板预裂效果良好。工作面开采期间压裂区域大能量微震事件频次、能量、集中程度显著降低, 工作面来压强度降低, 来压步距减小。工程实践表明井下长孔区域压裂技术具有有效性, 显著降低了冲击地压发生风险, 保障了工作面安全开采, 研究成果可为类似条件矿井冲击地压防治提供借鉴。

为研究充填体在不同骨料粒径分布和养护龄期条件下的力学性能及损伤演化特征, 以煤矸石为骨料, 粉煤灰为辅助胶凝材料制备胶结充填体, 研究了不同骨料粒径条件下充填体试样的力学性能、微观结构及破裂演化特征, 并基于耗散能建立了考虑养护龄期效应的充填体损伤本构模型, 进一步揭示了胶结充填体的能量损伤演化过程。研究结果表明: 不同骨料粒径分布下, 充填体的抗压强度及弹性模量均随着养护龄期的延长而增大; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样弹性模量和峰值应力最高, 0~10 mm的次之, 5~10 mm的最小; 单轴压缩下骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样保持了较好的完整性, 而养护龄期的延长能够抑制破坏裂纹的扩展与贯通, 提高了试样的完整性; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样微观结构的致密性最佳, 并且养护龄期的延长降低了充填体试样内部空隙结构的尺度及范围, 提高了微观结构的致密性; 不同骨料粒径分布充填体试样总能量、弹性应变能及耗散能随养护龄期的增加呈二次函数的递增趋势, 并且骨料粒径分布及养护龄期的变化不会对充填体试样内部能量积聚与耗散过程造成影响; 建立的考虑养护龄期效应的损伤本构模型能够准确反映充填体试样的受载应力分布, 并且充填体试样的损伤演化可划分为初始损伤阶段、损伤平稳阶段、损伤加速增长阶段及损伤破坏阶段4个阶段。

寒区岩体工程中, 含冰裂隙削弱了工程岩体的力学特性, 严重影响着工程岩体的安全与稳定。为研究含冰裂隙岩体的力学行为和破坏机制, 开展了单轴压缩试验、声发射监测及离散元数值模拟试验, 系统研究了含冰裂隙砂岩的力学特性与破坏机制, 重点分析裂隙厚度(5~30 mm)和倾角(0°~90°)对岩体强度、弹性模量、能量演化及裂纹扩展的调控规律。结果表明: 抗压强度、弹性模量及峰前/峰后能量均随裂隙厚度增加呈非线性衰减, 弹性模量降幅达20%~34%; 裂隙倾角主导破坏模式分类, 垂直裂隙(90°)因高效应力传递表现出最高强度(23.56 MPa), 低倾角(15°~30°)受界面剪切效应影响强度降低30%~45%, 并识别出冰层压碎(α≤15°)、界面滑移(15°~75°)及岩石主控断裂(α≥75°)3类破坏模式。基于PFC离散元构建冰−岩复合介质细观参数体系, 模拟结果与试验数据吻合度超过90%。考虑裂隙厚度与倾角耦合效应修正了D-P强度准则, 计算理论值与试验误差控制在±5%以内。研究成果为寒区岩体工程稳定性评估及灾害防控提供理论支撑, 并为复杂冻融环境下冰−岩相互作用机理研究奠定基础。